Die Haftabzugsprüfung hinterlässt Spuren im Thermoplastträger: Das linke Bild zeigt kraterförmige Ausbrüche, rechts sind oberflächennahe Brüche in der Grenzschicht zu sehen.

Die Haftabzugsprüfung hinterlässt Spuren im Thermoplastträger: Das linke Bild zeigt kraterförmige Ausbrüche, rechts sind oberflächennahe Brüche in der Grenzschicht zu sehen. (Bildquelle: KUZ Leipzig)

Funktionsformteile aus thermoplastischen Kunststoffen erhalten häufig erst durch exquisite Oberflächenlackierungen eine hohe Wertanmutung. Diese veredelten Oberflächen werden auch den steigenden Anforderungen aus dem Automotive-, Sanitär- oder Gebrauchsgüter-Sektor gerecht. Eine sehr effiziente Möglichkeit zur Direktbeschichtung von Spritzgussformteilen mit einem reaktiven Lacksystem bietet die technologische Umsetzung der Verfahrenskombination aus Thermoplast- und Reaktionsspritzguss. Diese basiert im Wesentlichen auf dem bekannten Zwei-Komponenten-Spritzguss, wobei hier als zweite Komponente das reaktive Lacksystem in die Werkzeugkavität (RIM-Verfahren) eingetragen wird. Das reaktive Lacksystem verbindet sich bei der Vernetzung fest mit dem spritzfrischen Thermoplast-Träger. In einer Forschungs- und Entwicklungs-Kooperation zwischen der Firma Panadur, Halberstadt, und dem Kunststoff-Zentrum Leipzig (KUZ) entstanden Lack- und Technologieentwicklungen zur Herstellung von Polyurea-basierten Beschichtungen auf thermoplastischen Tragelementen mittels Formteil-Direktbeschichtung (In Mould Coating = IMC).

Auswahl des thermoplastischen Trägermaterials

Wichtig für die prinzipielle Gebrauchstauglichkeit derartiger Verbundformteile ist die erreichte Verbundfestigkeit zwischen thermoplastischem Substrat und Polyurea-Überzug. Als Formmassen zur Herstellung der thermoplastischen Träger sind polare technische Kunststoffe und Blends mit Oberflächenenergien oberhalb von zirka 38 mN/m geeignet. Ein direkter Zusammenhang zwischen der Oberflächenenergie und der Verbundhaftung beziehungsweise Langzeitstabilität ist nicht eindeutig gegeben, sodass das erreichte Eigenschaftsniveau in jedem Fall am beschichteten Formteil geprüft werden muss. Für konkrete Anwendungen sind die Umgebungsbedingungen im beabsichtigten Einsatz-Bereich – zum Beispiel werkstoffspezifische Dauergebrauchstemperatur, Medien-Einfluss − zu berücksichtigen.

Polyurea-IMC als 3K-System spart Geld

Hochwertige Metalleffekt-Lack-Beschichtungen auf Thermoplast-Träger, hergestellt im kontinuierlichen IMC-Verfahren (Bildquelle: alle KUZ Leipzig)

Hochwertige Metalleffekt-Lack-Beschichtungen auf Thermoplast-Träger, hergestellt im kontinuierlichen IMC-Verfahren (Bildquelle: KUZ Leipzig)

Die Polyurea-Beschichtungen selbst sind frei von flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) und intrinsisch selbsttrennend. Neben Klarlack-, Transluzent- und Piano-Black-Formulierungen ist auch eine Vielfalt an Color- oder Metalleffekt-Systemen − bei Bedarf kombiniert mit sogenanntem Reflow-Effekt − verfügbar. Die IMC-Vernetzung erfolgt dann innerhalb von 40 bis 100 Sekunden bei einer Werkzeugtemperatur zwischen 50 bis 80 °C.

Die Verarbeitung der IMC-Komponenten Polyamin, Farbbatch und Härter erfolgt generell als 3K-System. Hierdurch ist eine breite Variation der Mischungsverhältnisse sichergestellt. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich Farbwechsel kostengünstig und mit geringerem Material- und Zeitaufwand realisieren lassen. Diese Vorgehensweise ist auch bei der großtechnischen Umsetzung in einer Produktion mit häufigen Farbwechseln empfehlenswert.

Verbundhaftung − kein Problem

Lassen sich an spritzfrischen thermoplastischen Trägern Oberflächenenergien oberhalb von 38 mN/m nachweisen, so ist die Verbundhaftung zwischen Substrat und Polyurea-Überzug prinzipiell gegeben. Bemühungen zum mechanischen Ablösen der Beschichtung vom Träger werden immer Bruch-Ereignisse im thermoplastischen Träger (Kohäsionsbruch im Trägermaterial) zur Folge haben.

Zur Quantifizierung der Verbundhaftung lässt sich beispielsweise ein Haftabzugstest nach ASTM D-4541 (etwa mit dem Prüfgerät Positest AT-A von De Felsko, New York, USA) heranziehen. Für die Bewertung der Resultate muss das Deformationsvermögen des Thermoplast-Trägers durch Zugbeanspruchung während der Messung berücksichtigt werden. Anderenfalls können zusätzlich auftretende Spalt- und Schälkräfte, die der eigentlichen Zugbeanspruchung überlagert sind, zu Fehlinterpretationen führen. Solche Zusatzkräfte entstehen, wenn dünnwandige Träger ohne Strukturversteifungen, gespritzt aus unverstärkten Formmassen mit niedrigen E-Modulen verwendet werden. Dieser Test zur Charakterisierung der Formteil- und Gebrauchseigenschaften spiegelt somit direkt das spezifische Bauteil-Versagen wider. Besonders kritisch sollte die Übertragung von Messergebnissen auf andere Formteil-Geometrien betrachtet werden.

Verfahrenskombination mit Potenzial

Die Verfahrenskombination aus Thermoplast- und Reaktionsspritzguss bietet eine sehr effiziente Möglichkeit zur Direktbeschichtung von Spritzgussformteilen mit reaktiven Polyurea-Lacksystemen. Dabei beeinflussen die Farbbatch-Zugaben jeglicher Art weder die Verbundhaftung zum jeweiligen thermoplastischen Trägermaterial noch das Selbstrennverhalten beziehungsweise die Prozess-Stabilität. Das Potenzial dieser zukunftsträchtigen Oberflächentechnologie ist bei Weitem noch nicht ausgeschöpft. Neben den immer noch essenziell erforderlichen Arbeiten zu Thermoplast-Reaktionslack-Verbunden legt das KUZ aktuelle und künftige Themenschwerpunkte auf Untersuchungen zur Werkzeuggestaltung und zu dem Folien-Hinterspritzen mit Klarlack-Überzug. Das beschriebene Forschungsprojekt wurde gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Reg.-Nr.: KF2042808TA3).

Über den Autor

Jens Müller

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Kunststoff-Zentrum Leipzig, Leipzig.
mueller@kuz-leipzig.de